Прослеживая 13 миллиардов лет истории в свете древних квазаров

Астрофизики из Австралии пролили новый свет на состояние Вселенной 13 миллиардов лет назад, измерив плотность углерода в газах, окружающих древние галактики.

Исследование, опубликованное в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического обществадобавляет еще один кусочек к загадке истории Вселенной.

«Мы обнаружили, что доля углерода в теплом газе быстро увеличивалась около 13 миллиардов лет назад, что может быть связано с крупномасштабным нагревом газа, связанным с явлением, известным как эпоха реионизации», — говорит доктор Ребекка Дэвис, ASTRO 3D. Постдокторский научный сотрудник Технологического университета Суинберна, Австралия, и ведущий автор статьи, описывающей открытие.

Исследование показывает, что количество теплого углерода внезапно увеличилось в пять раз за период всего в 300 миллионов лет — мгновение ока в астрономических масштабах.

В то время как предыдущие исследования предполагали рост теплого углерода, для получения статистических данных, позволяющих точно измерить скорость этого роста, требовались гораздо более крупные образцы — основа нового исследования.

«Это то, что мы здесь сделали. Итак, мы представляем две возможные интерпретации этой быстрой эволюции», — говорит доктор Дэвис.

Во-первых, первоначальное увеличение количества углерода вокруг галактик происходит просто потому, что во Вселенной больше углерода.

«В период, когда формируются первые звезды и галактики, образуется много тяжелых элементов, потому что у нас никогда не было углерода до того, как у нас появились звезды», — говорит доктор Дэвис. «И поэтому одной из возможных причин такого быстрого роста является то, что мы наблюдаем продукты первых поколений звезд».

Однако исследование также обнаружило доказательства того, что количество холодного углерода за тот же период уменьшилось. Это говорит о том, что в эволюции углерода могут быть две разные фазы: быстрый подъем во время реионизации, за которым следует уплощение.

Эпоха Реионизации, которая имела место, когда Вселенной был «всего» один миллиард лет, была, когда свет снова зажегся после космических Темных веков, последовавших за Большим взрывом.

До этого Вселенная была темным, плотным газовым туманом. Но когда образовались первые массивные звезды, их свет начал сиять в космосе и повторно ионизировать космос. Этот свет мог привести к быстрому нагреву окружающего газа, что привело к увеличению количества теплого углерода, наблюдаемому в этом исследовании.

Исследования реионизации жизненно важны для понимания того, когда и как образовались первые звезды и начали производить элементы, которые существуют сегодня. Но измерения были общеизвестно трудными.

«Исследование под руководством доктора Дэвиса было основано на исключительной выборке данных, полученных в течение 250 часов наблюдений на Очень Большом Телескопе (VLT) в Европейской южной обсерватории в Чили», — говорит доктор Валентина Д’Одорико из Итальянского института. по астрофизике, главный исследователь наблюдательной программы. «Это наибольшее количество времени наблюдений, отведенное одному проекту, выполненному с помощью спектрографа X-shooter.

«Благодаря 8-метровому VLT мы смогли наблюдать некоторые из самых далеких квазаров, которые действуют как фонарики, освещая галактики на пути от ранней Вселенной к Земле».

По мере того, как свет квазара проходит через галактики в своем 13-миллиардном путешествии по Вселенной, некоторые фотоны поглощаются, создавая в свете характерные узоры, похожие на штрих-коды, которые можно анализировать для определения химического состава и температуры газа в галактиках. .

Это дает историческую картину развития Вселенной.

«Эти «штрих-коды» фиксируются детекторами спектрографа X-Shooter VLT, — объясняет д-р Дэвис. «Этот инструмент разделяет свет галактики на разные длины волн, словно пропуская свет через призму, что позволяет нам считывать штрих-коды и измерять свойства каждой галактики».

Исследование под руководством доктора Дэвиса зафиксировало больше штрих-кодов древних галактик, чем когда-либо прежде.

«Мы увеличили с 12 до 42 количество квазаров, для которых у нас были высококачественные данные, что, наконец, позволило провести подробные и точные измерения эволюции плотности углерода», — говорит доктор Д’Одорико.

Это крупное достижение стало возможным благодаря ESO VLT, одному из самых передовых телескопов на Земле и стратегическому партнеру Австралии.

«Исследование предоставляет унаследованный набор данных, который не будет значительно улучшен до тех пор, пока к концу этого десятилетия не появятся в сети телескопы 30-метрового класса», — говорит профессор Эмма Райан-Вебер, главный исследователь Центра передового опыта ARC для астрофизики всего неба в 3 Dimensions (ASTRO 3D) и второй автор исследования. «Высококачественные данные, полученные еще раньше во Вселенной, потребуют доступа к таким телескопам, как Чрезвычайно большой телескоп (ELT), который сейчас строится в Чили».

Астрономы используют множество различных типов данных для построения истории Вселенной.

«Наши результаты согласуются с недавними исследованиями, показывающими, что количество нейтрального водорода в межгалактическом пространстве быстро уменьшается примерно в то же время», — говорит доктор Дэвис.

«Это исследование также прокладывает путь для будущих исследований с массивом квадратных километров (SKA), целью которого является прямое обнаружение излучения нейтрального водорода во время этой ключевой фазы истории Вселенной».

Профессор Райан-Вебер говорит, что исследование лежит в основе миссии ASTRO 3D, чтобы понять эволюцию элементов, от Большого взрыва до наших дней: «Они решают эту ключевую цель: как строительные блоки жизни — в данном случае углерод — распространяться по вселенной?

«Как люди, мы стремимся понять: «Откуда мы пришли?» Невероятно думать, что штрих-код атомов углерода возрастом 13 миллиардов лет был отпечатан на фотонах в то время, когда […] Земли даже не существовало. Эти фотоны путешествовали по Вселенной, попадали в VLT, а затем использовались для построения картины эволюции Вселенной».